Ім'я файлу: Реферат. Тупіков В.А. 8.1530.docx
Розширення: docx
Розмір: 390кб.
Дата: 08.05.2021
скачати
Пов'язані файли:
Tsvikilevych_Orhanizatsiina kultura ta yii mistse.pdf



МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІНЖЕНЕРНИЙ НАВЧАЛЬНО-НАУКОВИЙ ІНСТИТУТ

КАФЕДРА МІКРОЕЛЕКТРОННИХ ІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМ

Реферат

З дисципліни: «Методи дослідження матеріалів та компонентів мікро- та наноелектронної техніки»

На тему: «Поняття про епітаксію, методи отримання епітаксійних плівок»


Виконав:

ст. групи 8.1530

Тупіков В.А.

Перевірила:

доцент Небеснюк О.Ю.

ЗАПОРІЖЖЯ

2021

Зміст


Вступ 3

Фізичні основи процесу епітаксія 4

Загальна характеристика молекулярно-променевої епітаксії 7

Обладнання для молекулярно-променевої епітаксії 9

Температури епітаксії 12

Висновки 13

Список викростанної літератури 14


Вступ



Причиною появи епітаксіальної технології послужила необхідність вдосконалення процесу виготовлення біполярних транзисторів.

На початку створення інтегральних мікросхем область колектора формувалася за допомогою базового технологічного процесу термічної дифузії , але при цьому концентрація активної домішки була максимальною на поверхні, і плавно змінювалася до глибини , приймаючи на дні колектора мінімальне значення.

Оскільки струм в транзисторі тече по дну колектора і в горизонтальному напрямку, де відповідно найбільший опір з причини малої кількості активної домішки, то це призводить до того, що на транзисторі розсіюється велика потужність і він сильно нагрівається. З цієї причини свого часу, на основі наукових досліджень, було прийнято рішення використовувати для формування тіла колектора замість термічної дифузії базовий технологічний процес – епітаксію.

Епітаксія - це процес нарощування на кристалічній підкладці атомів впорядкованих в монокристалічну структуру, причому структура нарощуваної плівки повністю повторює кристалічну орієнтацію підкладки.

Практичне значення має випадок, коли легована епітаксіальна плівка вирощується на легованій пластині, тобто коли одночасно з атомами кремнію в зростанні кристала беруть участь і атоми легуючого елементу. При різних типах домішки в пластині і у вирощуваній плівці на межі їх розділу утворюється p-n перехід.

Таким чином в эпітаксіально-планарных структурах тонкий эпітаксільний шар (2-10 мкм) містить елементи ІМС, а підкладка товщиною 500 мкм відіграє конструктивну роль.

Фізичні основи процесу епітаксія



При газофазній епітаксії атоми кремнію і домішки виділяються на пластині в результаті хімічних реакцій із з'єднань кремнію і легуючого елементу. Для досконалості важливо перш за все, щоб у вирощуванні шарів кристалу брали участь одиночні атоми, а не їх групи (алгомерати), що заздалегідь об'єдналися в газовій фазі. Тому характер хімічних реакцій, повинен бути гетерогенний, тобто виділення атомів кремнію і домішки повинно відбуватися безпосередньо на пластині, а не в газовій фазі. Початкові реагенти повинні бути підібрані так, щоб молекули побічних продуктів реакції при заданій температурі легко десорбувались з поверхні пластини і не забруднювали її. Іншими словами, енергія зв'язку цих молекул з поверхнею пластини повинна бути істотно нижче їх вільній енергії.


Рисунок 1 – будова кристалічної решітки типу алмазу
Із-за порушення безперервності решітка на поверхні пластини володіє надлишком вільних зв'язків і діє орієнтуючим чином на атоми, що конденсуються з газової фази. Чим з більшим числом атомів решітки вступає в зв'язок конденсований атом, тим більш стійкий стан (велика енергія зв'язку), в який він переходить. Розподіл вільних зв'язків в площині епітаксіального зростання і найбільш вірогідна послідовність добудови решітки атомами залежить від кристалічної будови напівпровідника і кристалографічної орієнтації площини пластини.

Відомо що кремній має кристалічну решітку типу алмазу. Елементарна комірка кремнію є гранецентрованим кубом усередині якого знаходяться чотири атоми, розміщені на відстані а/4 (а – параметр решітки) від найближчих трьох граней куба. Закономірність

Будова кристалічної решітки типу алмазу, добудови решітки визначається тетраедричним характером міжатомних зв'язків: кожен атом оточений чотирма атомами, розташованими на відстані від нього і пов'язаними з ним ковалентно.

Вірогідність того, що атом займе найвірогідніше орієнтоване положення, що відповідає мінімуму вільної енергії, зростає з підвищенням рухливості атомів, тобто температури пластини. При високій щільності адсорбованих атомів на поверхні пластини рухливість їх знижується внаслідок взаємодії. Звідси витікає, що більш довершену структуру за інших рівних умов можна одержати при невисоких швидкостях росту плівки.

Істотний внесок в недосконалість структури епітаксіального шару вносить поверхня пластини. Дислокації, що виходять на поверхню пластини, успадковуються нарощуваним шаром. Дислокації і дефекти упаковки зароджуються також через те, що на межі розділу пластина-плівка, що росте, є механічні порушення решітки, через забруднення і деформації решітки, що є наслідком відмінності в ступені легування пластини і шару.

Дефекти упаковки при цьому здатні розвиватися у міру зростання плівки і “підходити” один до одного. Про досконалість структури епітаксіальної плівки можна судити по фігурах і ямках травлення, які виникають на поверхні контрольного зразка. Щільність дефектів визначається як числом дефектів на 1 см поверхні відносно дефектів упаковки (фігури травлення) і дислокацій (ямки травлення). Оскільки рухливість носіїв заряду залежить від щільності дефектів (при заданій концентрації домішок і температурі), вона також використовується як показник досконалості структури.

Таким чином, основні умови, що забезпечують досконалість структури епітаксіального шару, наступні:

  • хімічні реакції виділення атомів кремнію і домішки повинні бути гетерогенними, що виключають утворення агломератів;

  • необхідна висока температура пластини і обмежена швидкість осадження атомів, що забезпечує високу рухливість адсорбованих атомів на пластині;

  • з поверхні пластини повинні бути усунені механічні пошкодження і різного роду забруднення.

Зародження епітаксіальних частинок. Вивчення процесів зародження епітаксіальних частинок методом електронної мікроскопії показало, що зародки утворюються на дефектних ділянках кристалічних граней. Спочатку вважали, що місцями вибіркового зародження є сходинки на поверхні, в тому числі і мікросходинки. Потім була висунута ідея, що на грані іонного монокристала зародки утворюються на дефектах решітки та їх скупченнях. Ця ідея була повністю підтверджена експериментально.

Загальна характеристика молекулярно-променевої епітаксії



Момент, коли реалізація нових ідей, здавалося, починає обмежуватися граничними можливостями технології, був успішно подоланий з появою методу молекулярно-променевої епітаксії, який є результатом фантастичного удосконалення старого способу, що широко застосовувався для отримання металевих плівок, – випаровування речовини у вакуумі. Використання чистих джерел випаровуваних матеріалів, надвисокий вакуум, точний контроль температури підкладки, різні методи діагностики плівки, що росте, в поєднанні з комп'ютерною системою управління параметрами процесу - все це, разом узяте, привело до створення якісно нової технології, здатної вирішувати задачі, що раніше здавалися нездійсненними.

Звичайно МПЕ проводять в надвисокому вакуумі при тиску 10-6 – 10-8 Па. Температурний діапазон складає 400 - 800 С. Технічно можливо застосування і вищих температур, але це приводить до збільшення автолегування і дифузії домішки з підкладки.

Переваги методу молекулярно-променевої епітаксії:

  • низька температура процесу. Зниження температури процесу зменшує дифузію домішки з підкладки і автолегування. Це дозволяє одержувати якісні тонкі шари;

  • висока точність управління рівнем легування. Легування при використанні даного методу є безінертним, що дозволяє одержувати складні профілі легування.

Суть процесу полягає у випаровуванні кремнію і однієї або декількох легуючих домішок. Низький тиск пари кремнію і легуючих домішок гарантує їх конденсацію на відносно холодній підкладці.

Передепітаксіальна обробка підкладки при використанні методу молекулярно-променевої епітаксії здійснюється двома способами :

  • високотемпературний відпал при температурі 1000 – 1250 С тривалістю до 10 хвилин. При цьому за рахунок випаровування або дифузії всередину підкладки віддаляється природний оксид і адсорбовані домішки;

  • очищення поверхні за допомогою пучка низькоенергетичних іонів інертного газу. Цей спосіб дає кращі результати. Для усунення радіактивнихх дефектів проводиться короткочасний відпал при температурі 800 - 900 С.

Система, використовувана для МПЕ кремнію, зображена на рисунку 6. Основою установки є вакуумна система. Оскільки в процесі МПЕ потрібно підтримувати високий вакуум, установки забезпечуються вакуумними шлюзами для зміни зразків, що забезпечує високу пропускну спроможність при зміні пластин і виключає можливість проникнення атмосферного повітря. Для десорбції атмосферних газів зі стінок системи потрібен тривалий відпал у вакуумі. Для забезпечення високої якості і чистоти шару, необхідно низький тиск. Цього добиваються, використовуючи безмасляні засоби відкачування (наприклад, титановий гетерний насос).

Метод МПЕ дозволяє проводити всесторонній аналіз деяких параметрів безпосередньо під час процесу вирощування плівки. Більшість промислових установок МПЕ містять устаткування для аналізу дифракції відбитих електронів, мас-спектрометр, оже-спектрометр з можливістю дослідження оже-спектрів розпорошених іонів.

Випаровування кремнію здійснюється не шляхом нагріву тигля, як для легуючих елементів, а за рахунок нагріву електронним променем, оскільки температура плавлення кременя відносно висока. Постійна інтенсивність потоку атомів забезпечується строгим контролем температури. Для контролю температури застосовуються термопари, інфра-червоні датчики і оптичний пірометр. Управління потоками атомів легуючої домішки здійснюється за допомогою заслінок. Це дозволяє досягти хорошої відтворюваності процесу і високої однорідності, швидкості росту і рівня легування.


Обладнання для молекулярно-променевої епітаксії



Установка молекулярно-променевої епітаксії складається із трьох надвисоковакуумних камер, розділених вакуумними затворами з ручним приводом (рисунок 2). В верхній камері розміщено аналітичне обладнання і маніпулятор, на якому закріпляється підкладка; в нижній камері знаходиться електронно-променевий випаровувач потужністю 10 кВт, пристосований до роботи у НВВ. Зразки вводяться до накоплюючої камери, що використовується також як шлюз для швидкої перезарядки. Всі камери окомплектовані турбомолекулярними насосами, титановими субліматорами з охолодженням кріопанелей рідким азотом та іонними насосами.

Тиск залишкових газів у всіх камерах менше 10-8 Па. Навколо випаровувача розьіщена мідна кріопанель, що охолоджується рідким азотом. Під час випаровування тиск збільшується до 5 10-7 Па і визначається киснем; парціальні тиски О2, СО, NO, H2O мають величину 10-9 Па або менше. Для низьких коефіцієнтів прилипання загрязняючих газів (порядка 10-3 ) і при звичайній швидкості осадження 0,1 нм/с оцінка концентрації кисню і других шкідливих добавок у вирощуючих шарах дорівнює 10-7 (менше 1015 атомів на 1 см2). В роботі використовується імпульсний рубіновий лазер (=694,3 нм). Тривалість імпульсів складає 20 нс, енергія 2,0 Дж/см2. В якості поверхнево-чутливих методик аналізу використовується дифракція повільних електронів (ДПЕ), і оже-електронна спектроскопія (ОЕС). Для цих цілей верхня камера вкомплектована чотирисіточною системою ДПЕ і одноступінчатим аналізатором типу циліндричного дзеркала.



Рисунок 2 – Схематичне зображення установки для МПЕ кремнію:

      1. оже-електронний спектрометр;

2- система дифракціі електронів низькоі енергіі;

3- вакуумні клапани;

4- джерело молекулярного пучка;

5- сапфірове вікно;

6- іонна пушка;

7- лазерний промінь;

8- шлюз
Описана установка створена на базі стандартного обладнання для дослідження поверхні, таму на ній неможливо працювати з кремнієвими пластинами діаметром 3 або 4 дюйми (7,5 або 10 см), і її не можливо використовувати для легування в камері.

Розглянемо також конструкцію іншої установки для молекулярно-променевої епітаксії шарів кремнію на стандартних кремнієвих підкладках великої площі, що мають форму диска.

Конструкція пристрою показана схематично на рисунку. Джерело парів кремнію 1 вирізане із злитка монокристалла й має розміри 70 х 4 х 4 мм. Воно кріпиться на охолоджуваних проточною водою струмовводах 2 через масивні кремнієві прокладки 3. Нагрівання джерела до заданої температури (1380 °С) здійснюється за допомогою пропускання струму до 50 А. Відсутність металевих деталей, що безпосередньо контактують із нагрітим до високої температури кремнієм, дозволяє усунути додаткові джерела неконтрольованих домішок.


Рисунок 3 – Конструкція установки для сублімаційного молекулярно- променевого осадження плівок кремнію:

  1. – джерело;

  2. – струмоввід;

  1. – кремнієві прокладки;

  2. – підкладка;

  3. – кільце;

  4. – циліндр-тримач;

  5. – нагрівальний елемент;

  6. – ізолятор;

  7. – танталові екрани;

  8. – струмовводи нагрівального елемента;

  9. – шестерня;

  10. – заслінка


Температури епітаксії



Якщо під час росту зберігаються умови надвисокого вакууму й ріст здійснюється на чистих поверхнях кремнію, для МПЕ кремнію необхідні температури 850-1100К, тобто істотно нижче температур, необхідних для газофазной эпитаксии (ГФЕ) (1250-1450 К) . Крім того, різко відрізняються не тільки температури ГФЕ й МПЕ, але й закономірності процесу росту. При ГФЕ швидкість росту зменшується при зменшенні температури росту, у випадку ж МПЕ швидкість росту постійна в дуже широкому діапазоні температур.

У процесі росту кремнію можна виділити два етапи. На першому етапі атом кремнію вдаряється об поверхню Si, прилипає до неї й термалізується. На другому етапі він дифундує по поверхні до місця вбудовування, що може бути, наприклад, щаблем. У рамках теорії БКФ верхня межа енергії активації поверхневої дифузії Esd < 1,1 еВ.

Висновки



Епітаксія - це процес нарощування на кристалічній підкладці атомів впорядкованих в монокристалічну структуру, причому структура нарощуваної плівки повністю повторює кристалічну орієнтацію підкладки [1]. Основна перевага техніки епітаксії полягає в можливості отримання надзвичайно чистих плівок при збереженні можливості регулювання рівня легування.

В наш час існують два основні технологічні методи епітаксії, що дозволяють формувати багатошарові структури з надтонкими шарами . Це газофазна епітаксія та молекулярно-променева (вакуумна) епітаксія.

Список викростанної літератури



1. Закалик Л.І., Ткачук Р.А. Основи мікроелектроніки. – Тернопіль: ТДТУ ім. І. Пулюя, 1998. – 352 с.

2. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника: Проектирование, виды микросхем, функциональная микроэлектроника. – Москва: Высш. школа, 1987. – 416 с.

3. Сугано Т., Икома Т., Такэиси Ё. Введение в микроэлектронику. – Москва: Мир, 1988. – 320 с.

4. Палатник Л. С., Папиров И. И. Эпитаксиальние плёнки. – Москва: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1971. – 480 с.
скачати

© Усі права захищені
написати до нас